АНАЛИТИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Волков Вадим Сергеевич, кандидат технических наук, доцент, кафедра приборостроения, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), distorsion@rambler.ru
Французов Максим Владимирович, магистрант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40), distorsion@rambler.ru
Рыблова Елизавета Анатольевна, студент, Пензенский государственный университет (Россия, г.Пенза, ул. Красная, 40), distorsion@rambler.ru

621.3.032

Актуальность и цели. Целью исследования является определение границ применимости аналитических и численных методов расчета механических напряжений и прогибов мембран при создании чувствительных элементов полупроводниковых тензорезистивных датчиков давления.
Материалы и методы. Проведено аналитическое и численное моделирование радиального и тангенциального напряжений и прогиба мембраны с использованием допущений линейной теории изгиба тонких пластин.
Результаты. Применение аналитических выражений для расчета прогиба и механических напряжений с подстановкой в них характеристик кремния для соответствующей кристаллографической плоскости и ориентации тензорезистров приводит к существенной погрешности при определении тангенциального напряжения. Причиной этого является условие равенства коэффициента Пуассона для всех направлений при выводе аналитических зависимостей, которые первоначально были получены для изотропного материала.
Выводы. Аналитические зависимости могут быть использованы для расчетов напряжений и прогибов при подстановке в них значения коэффициента Пуассона, усредненного по всем кристаллографическим плоскостям кремния. При этом погрешность результатов расчета относительно данных, полученных численным методом для анизотропной модели кремния, составляет порядка 5 %. Показано, что дальнейшие исследования в этом направлении необходимо направить на исследование нелинейного изгиба мембран чувствительных элементов и исследования влияния размера конечно-элементной сетки на результат численного моделирования.

Ключевые слова

полупроводниковый тензорезистивный датчик давления, чувствительный элемент, кремниевая мембрана, радиальное и тангенциальное механическое напряжение, аналитическое моделирование, численное моделирование.

 Скачать статью в формате PDF

1. Ваганов, В. И. Интегральные тензопреобразователи / В. И. Ваганов. – М. : Энергоатом-издат, 1983. – 136 с.
2. Распопов, В. Я. Микромеханические приборы : учеб. пособие / В. Я. Распопов. – М. : Машиностроение, 2007. – 400 с.
3. Баринов, И. Н. Разработка и изготовление микроэлектронных датчиков давления для особо жестких условий эксплуатации / И. Н. Баринов, В. С. Волков, Б. В. Цыпин, С. П. Евдокимов // Датчики и системы. – 2014. – № 2. – С. 49–61.
4. Баринов, И. Н. Оптимизация чувствительного элемента датчика давления с поликремниевыми тензорезисторами / И. Н. Баринов, В. С. Волков // Приборы. – 2013. – № 2. – С. 1–5.
5. Кучумов, Е. В. Струнный автогенераторный измерительный преобразователь на основе пьезоструктуры / Е. В. Кучумов, И. Н. Баринов, В. С. Волков // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2014. – № 2 (8). – С. 58–65.
6. Баринов, И. Н. Высокотемпературные тензорезистивные датчики давлений на основе карбида кремния. Состояние разработок и тенденции развития / И. Н. Баринов // Компоненты и технологии. – 2010. – № 8. – С. 64–71.
7. Козин, С. А. Микроэлектронные датчики физических величин на основе МЭМС-технологий / С. А. Козин, А. В. Федулов, В. Е. Пауткин, И. Н. Баринов // Компоненты и технологии.–2010.–№1.–С.24–27.
8. Баринов, И. Н. Высокотемпературные чувствительные элементы датчиков давления со структурой «кремний на диэлектрике» / И. Н. Баринов // Датчики и системы. – 2007. – № 1. – С. 36–38.
9. Баринов, И. Н. Оптимизация параметров полупроводниковых чувствительных элементов датчиков абсолютного давления / И. Н. Баринов // Приборы. – 2009. – № 4. – С. 47–51.
10. Волков, В. С. Использование системы Simulink при имитационном моделировании высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления / В. С. Волков, И. Н. Баринов // Приборы. – 2011. – № 7. – С. 50–54.
11. Фандеев, В. П. Модели, методы и алгоритмы оптимизации диагностирования приборов : учеб. пособие / В. П. Фандеев, В. С. Волков. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2007. – 76 с.
12. Волков, В. С. Компенсация температурной погрешности чувствительности высокотемпературных полупроводниковых датчиков давления / В. С. Волков, И. Н. Баринов // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. – 2013. – № 1 (3). – С. 30–36.
13. Волков, В. С. Снижение температурной зависимости начального выходного сигнала высокотемпературного полупроводникового датчика давления на структуре «поликремний – диэлектрик» / В. С. Волков // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. – 2013. – Т. 1. – С. 75–77.